4. Confronto tra l integrale di Lebesgue e l integrale di Riemann. Lo scopo di questo capitolo è quello di mettere a confronto i vari tipi di integrale (di Riemann, generalizzato e improprio) di funzioni continue o generalmente continue, studiati nei precedenti corsi di Analisi matematica, con l integrale di Lebesgue. Si osserva come prima cosa che, ogni qual volta che sono soddisfatte le condizioni sull insieme di integrazione e sulla funzione integranda pregiudiziali per potere prendere in esame l esistenza del vecchio integrale, allora sono pure soddisfatte le condizioni di misurabilità necessarie affinché abbia senso studiare l integrabilità secondo Lebesgue. Per quanto riguarda l esistenza dell integrale, se ci si limita a quelli che sono gli ambiti di applicabilità della vecchia teoria, nel confronto tra il vecchio integrale e quello di Lebesgue si ha un sostanziale risultato di parità (vi è solo un caso particolare in cui la vecchia teoria presenta un leggero vantaggio rispetto alla nuova). Si trova infatti che una funzione f continua in un dominio limitato e misurabile secondo Peano-Jordan (quindi f è integrabile secondo Riemann) è pure integrabile secondo Lebesgue ed il valore dei due integrali quello di Riemann e quello di Lebesgue è lo stesso. Anche per le funzioni generalmente continue in un dominio limitato e misurabile secondo Peano-Jordan oppure continue in un dominio non limitato, misurabile secondo Peano-Jordan, si ha che, se la dimensione h è maggiore o uguale a due, l integrabilità di una funzione f secondo la vecchia teoria equivale alla sua integrabilità secondo Lebesgue e, quando c è l integrabilità, si ha ancora l uguaglianza dei due integrali. Invece, nel caso particolare della dimensione h, l integrabilità secondo Lebesgue di f equivale non alla sua integrabilità secondo la vecchia teoria ma ad una proprietà più forte, vale a dire la sua assoluta integrabilità (cioè l integrabilità di f ), fermo restando che, quando entrambi gli integrali esistono, il loro valore è lo stesso. L integrale di Lebesgue ha però il notevole vantaggio, rispetto ai vecchi tipi di integrale, di essere molto più versatile, cioè di avere un ambito di applicabilità molto più ampio. Per illustrare ciò presentiamo, nel n. 3, una serie di esempi utili anche per acquisire alcune tecniche di calcolo di integrali di Lebesgue che mostrano dei casi in cui l integrale di Lebesgue esiste, mentre invece non ha senso considerare nessuno dei vecchi integrali. Aggiungiamo infine che un ulteriore importante vantaggio dell integrale di Lebesgue rispetto all integrale di Riemann è dato dal fatto che, quando non ci si limita a considerare l integrale di Riemann delle sole funzioni continue ma si considera la teoria dell integrazione di Riemann in generale, cioè nell ambito delle funzioni reali definite e limitate in un dominio limitato e misurabile secondo Peano-Jordan, allora, in quell ambito, è sempre vero che l integrabilità secondo Riemann di una funzione f implica (la misurabilità e) l integrabilità di f secondo Lebesgue, mentre non vale il viceversa.
4.. Funzioni di una variabile. 4... Funzioni continue in un intervallo chiuso e limitato. Se f : [a, b] R è una funzione continua nell intervallo chiuso e limitato [a, b], l integrale di Riemann f() d è stato definito come l elemento di separazione degli insiemi numerici (separati e contigui) costituiti, rispettivamente, da tutte le somme inferiori s(f, P ) e da tutte le somme superiori S(f, P ) relative alla funzione f e ad una qualsiasi decomposizione P dell intervallo [a, b] nell unione finita di intervalli chiusi, a due a due privi di punti interni comuni, cioè (4..) [a, b] [ 0, ] [, ]... [ k, k ], dove a 0 < <... < k b. Ricordiamo che, se P è la decomposizione (4..), le relative somma inferiore e somma superiore sono definite nel seguente modo: s(f, P ) k m i ( i i ), S(f, P ) i k M i ( i i ), i essendo (4..) m i min [ i, i ] f, M i ma [ i, i ] f, i,..., k. Osserviamo ancora che per una funzione continua f : [a, b] R ha perfettamente senso considerare anche l integrale di Lebesgue f dm, anzi tale integrale è un numero reale. Infatti la continuità di f in [a, b] implica che f è misurabile secondo Lebesgue in [a, b] (cfr. la successiva Proposizione 4..); inoltre, dato che m ([a, b]) < + e sup f < + (per il teorema di Weierstrass), la funzione f è integrabile secondo Lebesgue in [a, b] per la Proposizione 3.7.4 Proposizione 4... Sia E L h e sia f : E R una funzione continua in E. Allora f è misurabile secondo Lebesgue in E. Dimostrazione. Dalla continuità di f segue (Corollario 9..) la sua B(E)-misurabilità, cioè (Proposizione 6..) la sua E B h -misurabiltà. A maggior ragione, dato che E B h E L h, si ha che f è misurabile secondo Lebesgue in E.
Dimostriamo che l integrale di Lebesgue e quello di Riemann sono uguali. eorema 4... Se f : [a, b] R è una funzione continua nell intervallo chiuso e limitato [a, b], l integrale di Lebesgue di f e quello di Riemann coincidono: f dm f() d. Dimostrazione. Basta provare che l integrale di Lebesgue f dm è elemento di separazione degli insiemi numerici costituiti, rispettivamente, dalle somme inferiori s(f, P ) e dalle somme superiori S(f, P ). Sia P una qualsiasi decomposizione dell intervallo [a, b] del tipo (4..). Consideriamo le due funzioni ϕ, ψ : [a, b] R, definite, a partire dalla decomposizione (4..), nel seguente modo: ϕ m l [0, ] + m l ], ] +... + m kl ]k, k ], ψ M l [0, ] + M l ], ] +... + M kl ]k, k ], dove m i, M i, i,..., k, sono dati dalla (4..). Rispetto allo spazio di misura ( [a, b], [a, b] L, m ) (dove m è la restrizione di m alla σ-algebra [a, b] L ), al quale occorre far riferimento per avere l integrale di Lebesgue f dm, le funzioni ϕ e ψ sono misurabili (infatti tutti gli indicatori che figurano nelle espressioni di ϕ e ψ sono indicatori di insiemi appartenenti alla σ-algebra [a, b] L ) e integrabili (dato che m ([a, b]) < + e, come immediatamente si verifica, sup ϕ < +, sup ψ < + ). Risulta inoltre, in tutto [a, b], ϕ f ψ ; infatti ogni [a, b] appartiene ad uno solo degli intervalli [ 0, ], ], ],..., ] k, k ] e quindi, supponendo, per fissare le idee, che sia ] i, i ], si ha ϕ() m i f() M i ψ(). Ne segue che è ϕ dm f dm ψ dm. 3
D altra parte si ha ϕ dm m l [0, ] dm +... + m k l ]k, k ] dm m ( 0 ) +... + m k ( k k ) s(f, P ) e, analogamente, pertanto come dovevamo dimostrare. s(f, P ) ψ dm S(f, P ), f dm S(f, P ), erminiamo il paragrafo segnalando una notevole generalizzazione della Proposizione 4.., che avremo modo di utilizzare ben presto nel seguito del capitolo. Definizione 4... (Funzioni quasi-ovunque continue). Sia E L h. Si dice che una funzione reale f è continua m h -quasi-ovunque (o, più brevemente, continua quasi-ovunque) in E se f ha come dominio un sottoinsieme D di E ed esiste C L h, C D, con m h (E \ C) 0, tale che la restrizione di f a C è una funzione continua. Proposizione 4... Sia E L h e sia f una funzione reale continua quasi-ovunque in E. Allora f è misurabile secondo Lebesgue in E. Dimostrazione. Per la completezza dello spazio di misura (R h, L h, m h ) ogni sottoinsieme dell insieme E \C appartiene a L h (ed ha misura nulla). In particolare l insieme F E \D appartiene a L h e si ha m h (F ) 0, dunque f è definita m h -q.o. in E. Per la Proposizione 4.. la funzione f è misurabile secondo Lebesgue in C. D altra parte, dal momento che ogni sottoinsieme di F appartiene a L h, la funzione f è misurabile secondo Lebesgue pure in F. Di conseguenza, per la Proposizione 3.0., la funzione f è misurabile secondo Lebesgue nell insieme D C F e quindi anche nell insieme E (in base alla definizione di misurabilità data per le funzioni definite quasi ovunque). 4... Funzioni generalmente continue in un intervallo chiuso e limitato. Ricordiamo che se f è una funzione reale generalmente continua nell intervallo chiuso e limitato [a, b] cioè f è definita in un sottoinsieme di [a, b] e l insieme dei punti di discontinuità di f è un sottoinsieme finito (eventualmente vuoto) di [a, b] l integrabilità e l integrale in senso generalizzato della funzione f si definiscono nel modo di seguito descritto. 4
0) Se f è continua in [a, b] si assume, per definizione, che f è integrabile in senso generalizzato in [a, b] e l integrale di f in senso generalizzato è, per definizione, uguale all integrale di Riemann (e si denota con lo stesso simbolo). ) Se a [risp. b] è l unico punto di discontinuità di f, si dice che f è integrabile in senso generalizzato in [a, b] se il limite [ ] lim f() d risp. lim f() d s a+ [s,b] s b esiste ed è finito; se ciò accade, l integrale in senso generalizzato di f esteso all intervallo [a, b] si definisce ponendo f() d lim f() d s a+ [s,b] [ ] risp. f() d lim s b f() d. ) In generale, quando f ha punti di discontinuità, si fissa una qualunque decomposizione dell intervallo [a, b] del tipo (4..) soddisfacente l ulteriore requisito che ciascuno degli intervalli [ i, i ], i,..., k, contenga un solo punto di discontinuità della funzione f e tale punto sia un estremo dell intervallo e si assume, per definizione, che f è integrabile in senso generalizzato in [a, b] se e soltanto se f è integrabile in senso generalizzato (secondo le definizioni già introdotte in 0) e in )) in ciascuno degli intervalli [ i, i ], i,..., k; inoltre, se f è integrabile in senso generalizzato in [a, b], si pone, per definizione, k f() d f() d i [ i, i ] (naturalmente, si dimostra che l integrabilità o meno della funzione f e, in caso affermativo, il valore dell integrale f() d non dipendono dalla particolare decomposizione di [a, b] che si è fissata inizialmente). Ricordiamo ancora che una condizione sufficiente per l integrabilità in senso generalizzato di f in [a, b] è la sua assoluta integrabilità in senso generalizzato (cioè l integrabilità in senso generalizzato della funzione f ( ) ). Studiamo adesso l integrabilità secondo Lebesgue di una funzione reale generalmente continua in un intervallo chiuso e limitato. Una questione da affrontare preliminarmente è quella della misurabilità di una funzione siffatta. Proposizione 4..3. Sia E L h e sia f una funzione reale generalmente continua in E. Allora f è misurabile secondo Lebesgue in E. ( ) Poiché ogni punto di discontinuità di f è pure punto di discontinuità di f, anche la funzione f è generalmente continua in [a, b]. 5
Dimostrazione. Poiché ogni sottoinsieme finito di R h è un insieme di misura nulla secondo Lebesgue, la funzione f è continua quasi-ovunque in E. La tesi segue allora subito dalla Proposizione 4... Ha quindi senso, data una funzione reale generalmente continua in un intervallo chiuso e limitato [a, b], porsi il problema della sua integrabilità secondo Lebesgue. Si ha, in proposito, il seguente teorema. eorema 4... Sia f una funzione reale generalmente continua nell intervallo chiuso e limitato [a, b]. La funzione f è integrabile secondo Lebesgue in [a, b] se e soltanto se f è assolutamente integrabile in senso generalizzato in [a, b]; in questo caso l integrale di Lebesgue e quello in senso generalizzato coincidono: (4..3) f dm f() d. Dimostrazione. Se f è continua in [a, b] la tesi segue subito dal eorema 4... Esaminiamo il caso in cui b è l unico punto di discontinuità di f (in modo del tutto analogo si ragiona se è a l unico punto di discontinuità di f). Proviamo dapprima che l integrabilità secondo Lebesgue implica l assoluta integrabilità in senso generalizzato. Occorre provare che il limite lim s b esiste finito, ovverossia, dato che la funzione s è non decrescente in ]a, b[, che risulta sup s ]a,b[ f() d f() d f() d < + ; e infatti, grazie al eorema 4.., considerata la misura con densità (4..4) ν f m (dove, al solito, m indica la restrizione di m alla σ-algebra [a, b] L ), per ogni s ]a, b[ si ha f() d f() dm ν([a, s]) (per la monotonia della ν) ν([a, b]) f() dm < +. Viceversa, se la funzione f è è assolutamente integrabile in senso generalizzato in [a, b], allora essa è anche integrabile secondo Lebesgue in [a, b]. Si ha infatti, considerata nuovamente la misura (4..4) e denotata con γ una costante tale che 0 < γ < b a, 6
(poiché da m ({b}) 0 segue ν({b}) 0) f() dm ν([a, b]) ν([a, b[) + ν({b}) ( ν([a, b[) ν n [a, b γ n ] ) (per la proprietà di continuità verso l alto di ν) lim n ]) lim f() dm [a,b γ n ] (per il eorema 4..) lim f() d lim f() d [a,b γ n ] s b f() d < +. Proviamo adesso che, nell ipotesi che f sia integrabile secondo Lebesgue in [a, b], vale la (4..3). Infatti, dato che f è integrabile secondo Lebesgue, ha senso considerare la misura con segno con densità ϕ f m e, grazie alle proprietà di finita additività e continuità verso l alto della ϕ, al fatto che ϕ({b}) 0 (dato che m ({b}) 0) ed al eorema 4.., si ha f dm ϕ([a, b]) ϕ([a, b[) + ϕ({b}) ( ϕ([a, b[) ϕ n [a, b γ n ] ) lim ϕ([a, b γ n ]) lim f dm [a,b γ n ] lim f() d lim f() d f() d. [a,b γ n ] s b Esaminiamo, infine, il caso generale. Supponiamo che [a, b] [α 0, α ] [α, α ]... [α k, α k ], a α 0 < α <... < α k b, sia una decomposizione di [a, b] tale che ciascuno degli intervalli [α i, α i ], i,..., k, contenga un solo punto di discontinuità della funzione f e tale punto sia un estremo 7
dell intervallo [α i, α i ]. Si ha allora, per il criterio di µ-integrabilità posto alla fine della Proposizione 3.0.3, tenendo presenti i casi di validità del teorema già acquisiti e la definizione data al punto 3), la seguente catena di equivalenze: f integrabile secondo Lebesgue in [a, b] f integrabile secondo Lebesgue in [α i, α i ] i,..., k f assolutamente integrabile in senso generalizzato in [α i, α i ] i,..., k f assolutamente integrabile in senso generalizzato in [a, b]. Inoltre, se f è integrabile secondo Lebesgue in [a, b], considerata la misura con segno ϕ data dalla (4..5), grazie alla proprietà di finita additività di ϕ ed al fatto che da E [a, b] L, m (E) 0 segue ϕ(e) 0, tenuto conto, come prima, dei casi di validità della (4.3.) già acquisiti e della definizione data in 3), risulta f dm [α 0,α ] f dm + ]α,α ] f dm +... + ]α k,α k ] f dm [α 0,α ] f dm + [ {α } f dm + [... + ]α,α ] {α k } ] f dm +... f dm + ]α k,α k ] f dm ] [α 0,α ] f dm + [α,α ] f dm +... + [α k,α k ] f dm [α 0,α ] f() d + [α,α ] f() d +... + [α k,α k ] f() d f() d. Esempio 4... La funzione sen è integrabile in senso generalizzato in [0, ], ma non è integrabile secondo Lebesgue in tale intervallo. Proviamo che sen è integrabile in senso generalizzato in [0, ]. Poiché l unico punto di discontinuità in tale intervallo è 0, dobbiamo provare che il limite lim s 0+ [s,] sen d 8
esiste finito. Per ogni s [0, ], moltiplicando e dividendo per e integrando per parti, si ha sen d sen d D cos d [s,] [s,] [ cos ] s [s,] [s,] cos d. Si ha inoltre [ lim cos ] s 0+ s Proviamo che anche il limite (4..5) lim s 0+ ( lim cos s cos ) s 0+ s [s,] cos d cos. esiste finito. Infatti, essendo cos ]0, ], la funzione cos è integrabile secondo Lebesgue, e quindi, per il eorema 4.., assolutamente integrabile in senso generalizzato, nell intervallo [0, ]. Ne segue che cos è integrabile in senso generalizzato in [0, ], cioè, per definizione, il limite (4..5) esiste finito. Proviamo che, invece, sen non è integrabile secondo Lebesgue in [0, ]. Consideriamo, a tale scopo, il sottoinsieme E di [0, ] formato dai numeri per i quali risulta π 4 + nπ 3 4 π + nπ per qualche n N, cioè E E n, n essendo E n [ ] 3 4 π + nπ, π 4 + nπ n N. Dalla definizione di E segue che è sen E, 9
pertanto, per la monotonia e la σ-additività della misura ν sen m e per il eorema 4.., risulta [0,] sen dm E sen dm n E n sen dm n E n sen dm n E n dm n E n d n log 3 4 π + nπ π 4 + nπ ; d altra parte, confrontando la serie (4..6) log n 3 4 π + nπ π 4 + nπ con la serie armonica, si ha lim log 3 4 π+nπ π 4 +nπ n lim log ( 3 4 π + nπ π 4 + nπ )n ( lim log + ) n + 8n 4, quindi anche la serie (4..6) diverge, pertanto [0,] sen dm +. 4..3. Funzioni continue in un intervallo chiuso non limitato. Ricordiamo che una funzione f : [a, + [ R, continua nell intervallo chiuso non limitato [a, + [, si dice integrabile in senso improprio in [a, + [ se il limite lim f() d s + esiste ed è finito; quando ciò accade l integrale improprio di f esteso a [a, + [ si definisce ponendo f() d lim f() d. [a,+ [ s + 0
Un analoga definizione si dà nel caso di una funzione continua in un intervallo del tipo ], b]. Infine, se f : R R è una funzione continua in R, si dice che f è integrabile in senso improprio in R se, fissato c R, la funzione f risulta integrabile in senso improprio sia in ], c] che in [c, + [, nel qual caso si pone, per definizione, f() d f() d + f() d R ],c] [c,+ [ (si dimostra che la definizione data non dipende dalla scelta del punto c R). Anche nel caso degli integrali impropri una condizione sufficiente per l integrabilità di una funzione è la sua assoluta integrabilità. Osserviamo che una funzione continua in un intervallo chiuso non limitato è misurabile secondo Lebesgue (Proposizione 4..) e quindi ha senso studiarne l integrabilità secondo Lebesgue. eorema 4..3. Supponiamo che f : I R sia una funzione continua nell intervallo chiuso non limitato I. La funzione f è integrabile secondo Lebesgue in I se e soltanto se f è assolutamente integrabile in senso improprio nell intervallo I. Se f è integrabile secondo Lebesgue, l integrale di Lebesgue e l integrale improprio coincidono: f dm f() d. I Dimostrazione. Basterà esaminare il caso I [a, + [ (infatti il ragionamento relativo al caso I ], b] è del tutto analogo, mentre il caso I R si deduce facilmente dagli altri due ragionando in modo ovvio). Dimostriamo dapprima che, se f è integrabile secondo Lebesgue in [a, + [, allora f è assolutamente integrabile in senso improprio. Poiché la funzione s f() d è non decrescente in ]a, + [, è sufficiente provare che f() d < + ; sup s ]a,+ [ e infatti, per ogni s ]a, + [, grazie al eorema 4.. ed alla proprietà di monotonia della misura con densità f m I (m I restrizione di m a I L ) si ha f() d f dm f dm, I [a,+ [ quindi sup f() d s ]a,+ [ [a,+ [ f dm < +.
Viceversa, se f è assolutamente integrabile in senso improprio in [a, + [, per la proprietà di continuità verso l alto della misura f m I e per il eorema 4.. si ha dunque f dm lim f dm [a,+ [ [a,a+n] lim f() d lim f() d [a,a+n] s + [a,+ [ f dm < +, [a,+ [ f() d, cioè f è integrabile secondo Lebesgue. Per completare la dimostrazione osserviamo che, se f è integrabile secondo Lebesgue in [a, + [ (quindi f è anche integrabile in senso improprio), allora, grazie alla continuità verso l alto della misura con segno fm I ed al eorema 4.., si ha f dm lim f dm [a,+ [ [a,a+n] lim f() d [a,a+n] lim s + f() d [a,+ [ f() d. Esempio 4... La funzione sen è integrabile in senso improprio in [, + [, ma non è integrabile secondo Lebesgue in tale intervallo. Proviamo che sen è integrabile in senso improprio in [, + [. Per ogni s ], + [, integrando per parti, si ha [,s] sen d [ cos ] s [,s] cos d. Si ha inoltre lim s [ cos Proviamo che anche il limite ] s ( lim cos s ) + cos s s cos lim s + [,s] d cos. esiste finito. Infatti, la funzione è [assolutamente] integrabile in in senso improprio in [, + [, pertanto, essendo cos [, + [,
per il teorema del confronto anche cos è assolutamente integrabile, e quindi integrabile, in [, + [. In conclusione abbiamo che il limite sen lim s + [,s] d esiste ed è finito, cioè sen è integrabile in senso improprio in [, + [. Proviamo che, invece, sen non è integrabile secondo Lebesgue in [, + [. Infatti, tenendo presenti le proprietà di monotonia e σ-additività della misura sen m, si ha [,+ [ sen dm [π,+ [ sen dm n [nπ,(n+)π[ sen dm (dato che l insieme avente come unico elemento il punto (n + )π ha misura nulla) n [nπ,(n+)π] sen dm (per il eorema 4..) n [nπ,(n+)π] sen d (dato che sen (n+)π sen [nπ, (n + )π]) n sen d (n + )π [nπ,(n+)π] n (n+)π sen d (n + )π nπ (effettuando il cambiamento di variabile nπ t) n π sen t dt (n + )π 0 n (n + )π +. 3
4.. Funzioni di più variabili. 4... Funzioni continue in un dominio limitato e misurabile secondo Peano- Jordan. Sia R h (h ) un dominio limitato e misurabile secondo Peano-Jordan. f : R è una funzione continua in, l integrale di Riemann f() d Se è, per definizione, l elemento di separazione degli insiemi numerici (separati e contigui) costituiti, rispettivamente, dalle somme inferiori s(f, P ) e dalle somme superiori S(f, P ) relative alla funzione f e ad una qualsiasi decomposizione P del dominio nell unione finita di domini misurabili secondo Peano-Jordan, a due a due privi di punti interni comuni, cioè (4..)... k, con i, i,..., k, dominio misurabile secondo Peano-Jordan e i j se i j. Se P è la decomposizione (4..), il significato di s(f, P ) e S(f, P ) è s(f, P ) k m i mis h ( i ), S(f, P ) i k M i mis h ( i ), i essendo m i min i f, M i ma i f, i,..., k. Se f : R è una funzione continua, anche l integrale di Lebesgue f dm h esiste finito (basta ragionare come è stato fatto nel n. 4.. per il caso h ). eorema 4... Sia R h (h ) un dominio limitato e misurabile secondo Peano- Jordan e sia f : R una funzione continua. L integrale di Lebesgue di f e quello di Riemann coincidono: f dm h f() d. Dimostrazione. Basta provare che f dm h è elemento di separazione dell insieme delle somme inferiori s(f, P ) e di quello delle somme superiori S(f, P ). Sia P una qualsiasi decomposizione di del tipo (4..). Poniamo N k ( i ) i 4
ed osserviamo che per il eorema 4.5. e la finita sub-additività di m h si ha m h (N) 0. Indicati con m e M il minimo ed il massimo assoluti di f in, consideriamo poi le due funzioni ϕ, ψ : R, definite nel seguente modo: ϕ k m i l i + ml, ψ N i k M i l i + Ml. N i Si verifica facilmente, ragionando come per il eorema 4.., che ϕ e ψ sono misurabili e integrabili secondo Lebesgue in e risulta, in tutto, ϕ f ψ ; conseguentemente si ha ϕ dm h f dm h ψ dm h. D altra parte si ha ϕ dm h k m i i l i dm h + m l dm N h k ( ) m i m h i + m mh (N) i k ( ) m i m h i i (dato che m h ( i ) 0, i,..., k) k m i m h ( i ) i k m i mis h ( i ) s(f, P ) i e, analogamente, pertanto s(f, P ) come dovevamo dimostrare. ψ dm h S(f, P ), f dm h S(f, P ), 5
4... Funzioni generalmente continue in un dominio limitato e misurabile secondo Peano-Jordan. Sia R h (h ) un dominio limitato e misurabile secondo Peano-Jordan e sia f una funzione reale generalmente continua in. Ricordiamo che f si dice integrabile in senso generalizzato in se, denotato con N f l insieme dei punti 0 che sono di discontinuità per f, l insieme numerico costituito dai numeri f() d, B con B dominio limitato e misurabile secondo Peano-Jordan tale che B \ N f, è dotato di estremo superiore finito. Ricordiamo inoltre che vale il seguente criterio di confronto. Proposizione 4... Siano f, g due funzioni reali generalmente continue in, dominio limitato e misurabile secondo Peano-Jordan di R h (h ), e siano N f, N g i relativi insiemi dei punti di discontinuità. Supponiamo che risulti f() g() \ (N f N g ) e che g sia integrabile in senso generalizzato in. Allora anche f è integrabile in senso generalizzato in. Per definire l integrale in senso generalizzato f() d di una funzione f generalmente continua ed integrabile in senso generalizzato in, dominio di R h (h ) limitato e misurabile secondo Peano-Jordan, si procede nel modo di seguito illustrato. ) Se è f 0 (nel suo insieme di definizione), si pone, per definizione, { } f() d sup f() d : B D h, D \ N f, B avendo indicato con D h la famiglia dei domini di R h limitati e misurabili secondo Peano- Jordan. ) In generale, si pone, per definizione, (4..) f() d f + () d f () d ; quest ultima definizione ha senso perché dall integrabilità in senso generalizzato di f discende (per la Proposizione 4..) quella di f + e f ; inoltre, essendo f +, f 0, gli integrali che figurano al secondo membro della (4..) sono già stati definiti in ). Osserviamo che per h, a differenza di quanto accade per h, non vi è distinzione tra integrabilità in senso generalizzato ed assoluta integrabilità in senso generalizzato. 6
Abbiamo già dimostrato (Proposizione 4..3) che una funzione reale generalmente continua in un insieme E R h, E L h, è ivi misurabile secondo Lebesgue (in particolare ciò è vero se E è un insieme misurabile secondo Peano-Jordan). Ha quindi senso, data una funzione reale generalmente continua in un dominio limitato e misurabile secondo Peano-Jordan, studiarne l integrabilità secondo Lebesgue. eorema 4... Sia R h (h ) un dominio limitato e misurabile secondo Peano- Jordan e sia f una funzione reale generalmente continua in. La funzione f è integrabile secondo Lebesgue in se e soltanto se essa è ivi integrabile in senso generalizzato; in questo caso l integrale di Lebesgue e quello in senso generalizzato coincidono: (4..3) f dm h f() d. Dimostrazione. Indichiamo con N f l insieme dei punti di che sono di discontinuità per la funzione f. Se f è integrabile secondo Lebesgue in, allora, per ogni dominio B D h, B \N f, per il eorema 4.. e la proprietà di monotonia della misura con densità f m (essendo m la restrizione di m h a L h ), risulta f() d f dm h f dm h < +, B B dunque f è integrabile in senso generalizzato in e vale la disuguaglianza (4..4) f() d f dm h. Viceversa, se f è integrabile in senso generalizzato in, per le proprietà di finita additività e di continuità verso l alto della misura f m e per il eorema 4.. si ha f dm h f dm h + f dm h ( ) N f \N f (osservando che l insieme ( ) N f è un insieme di misura nulla secondo Lebesgue e che pertanto si ha pure ( f m )(( ) N f ) 0) f dm h \N f (denotata con {D n } una successione di domini limitati e misurabili secondo Peano-Jordan tale che D n \N f ; l esistenza di una siffatta successione è assicurata dal successivo Lemma 4..) lim f() d < +, D n f dm h lim D n f() d sup B D h B \N f 7 B
dunque f è integrabile secondo Lebesgue in e vale la disuguaglianza (4..5) f dm h f() d. Per completare la dimostrazione proviamo che, se f è integrabile secondo Lebesgue in, vale la (4..3). Se f 0 ciò segue subito dalle disuguaglianze (4..4) e (4..5). Per provare la validità della (4..3) in generale basta considerare le funzioni non negative f + e f, scrivere le relative uguaglianze (4..3), cioè f + dm h f + () d, f dm h f () d e sottrarre membro a membro. Il lemma successivo, utilizzato nella precedente dimostrazione, è in realtà un corollario del eorema 3.4.. Lemma 4... Sia A R h un insieme aperto non vuoto. Esiste una successione {D n } di domini limitati e misurabili secondo Peano-Jordan invadente A. Dimostrazione. Per il eorema 3.4. esiste una successione {Π n } di plurintervalli di R h avente le seguenti due proprietà: i) Π n Π n+ A n N, ii) Πn A. Inoltre, dato che A, per la ii) si può supporre che sia Πn per ogni n N. Per ottenere la successione {D n } avente i requisiti richiesti è sufficiente porre Infatti dalla i) segue che è pure e quindi, tenuto conto di ii), si ha D n Πn n N. D n D n+ A n N D n A ; inoltre, dato che per la condizione sufficiente di invadenza (eorema 3..) la successione { Πn} invade A, la stessa cosa può dirsi anche di {D n }. Il fatto che ogni D n sia un dominio è ovvio (è la chiusura di un insieme aperto non vuoto). Proviamo che gli insiemi D n sono misurabili secondo Peano-Jordan. Osserviamo, a tale scopo, che per la successiva Proposizione 4.. si ha l inclusione D n Π n. 8
D altra parte, essendo Π n misurabile secondo Peano-Jordan, per il eorema 4.5. si ha m h ( Π n ) 0. Conseguentemente si ha pure m h ( D n ) 0 e quindi, sempre per il eorema 4.5., D n è misurabile secondo Peano-Jordan. Proposizione 4... Sia X un sottoinsieme di uno spazio topologico S e sia Y l insieme così definito: Si ha allora Y X. Y X. Dimostrazione. Per dimostare la tesi occorre provare che, presi comunque un punto Y e un intorno aperto U di, l intorno U contiene sia elementi di X che elementi di S \ X. Infatti, dato che Y, l intorno U contiene almeno un punto y Y e, dato che U è intorno anche di y, in U vi è almeno un elemento y X, quindi U contiene elementi di X. D altra parte l intorno U contiene sicuramente punti z non appartenenti a X perché, in caso contrario, si avrebbe U X e quindi l intorno U, essendo un aperto contenuto in Y, sarebbe contenuto in Y, contraddicendo così l ipotesi Y. 4..3. Funzioni continue in un dominio non limitato, misurabile secondo Peano-Jordan. Sia R h (h ) un dominio non limitato, misurabile secondo Peano-Jordan. Ricordiamo che, se f : R è una funzione continua in, si dice che f è integrabile in senso improprio in se l insieme numerico costituito dai numeri f() d, B con B dominio limitato e misurabile secondo Peano-Jordan tale che B, è dotato di estremo superiore finito. Ricordiamo inoltre che anche per l integrabilità in senso improprio si ha il criterio del confronto. Proposizione 4..3. Sia R h (h ) un dominio non limitato, misurabile secondo Peano-Jordan, e siano f, g : R due funzioni continue in. Supponiamo che risulti f() g() e che g sia integrabile in senso improprio in. improprio in. Allora anche f è integrabile in senso Per definire l integrale improprio f() d di una funzione f : R continua ed integrabile in senso improprio in, dominio di R h (h ) non limitato e misurabile 9
secondo Peano-Jordan, si procede analogamente a come si è fatto per l integrale in senso generalizzato. ) Se è f 0, si pone, per definizione, { } f() d sup f() d : B D h, B B. ) In generale, si pone, per definizione, f() d f + () d f () d. Pertanto anche per l integrale improprio per h non vi è distinzione tra integrabilità ed assoluta integrabilità. Se R h (h ) è un dominio non limitato, misurabile secondo Peano-Jordan e f : R è una funzione continua in, per la Proposizione 4.. ha senso studiare l integrabilità secondo Lebesgue di f in. Si ha in proposito il seguente teorema che è del tutto analogo al teorema sull integrale in senso generalizzato; anche la dimostrazione è perfettamente analoga e viene quindi omessa. eorema 4..3. Sia R h (h ) un dominio non limitato, misurabile secondo Peano-Jordan e sia f : R una funzione continua in. La funzione f è integrabile secondo Lebesgue in se e soltanto se essa è ivi integrabile in senso improprio; in questo caso l integrale di Lebesgue e quello improprio coincidono: f dm h f() d. 4.3. Alcuni esempi. 0